600MW機組軸流一次風機選型分析與節能改造

寧新宇，王雙童

（國電科學技術研究院，江蘇 南京 210031）

0 概 述

目前，采用軸流式一次風機已成為600MW超（超）臨界容量機組一次風機的主要類型［1，2］。當前對于一次風機的節能改造已有一定研究［3－6］，但是對于一次風機選型方面的研究還不多見［7］，現以近年投產的600MW機組為研究對象，對其一次風機的選型裕度狀況和節能改造進行分析和研究，可為新建機組的輔機選型和已投產機組的節能降耗提供相關參考。

1 設備狀況

所選部分600MW超（超）臨界容量機組中的軸流式一次風機，均為國內外主要的設備廠家生產。一次風機的全壓為9 869～19 858Pa，風機最大流量為52.23～138.8m3／s，風機的電機電壓基本為6 kV，少數風機的電機電壓為3kV或10kV，電機功率在1 150～3 000kW，風機的具體參數，如表1所示。

表1 600MW超（超）臨界機組動葉可調軸流式一次風機的性能參數

2 選型分析和節能改造

2.1 選型分析

風機選型偏大將造成電廠的初期投資額增大，同時，風機將長期偏離高效率區域運行，風機效率降低，風機的電耗增加。所以，合理選擇風機型式，對于節能降耗有著很重要的意義。依據《大中型火力發電廠設計規范》（2011版）中對風機基本流量和基本阻力計算的原則，按照對流量裕量和壓頭裕量的規定，對所選機組的風機參數進行分析。有關風機的基本流量、流量裕量和壓頭裕量的選擇原則，如表2所示。

根據各機組風機設備的狀況，以設備的設計參數與鍋爐BMCR工況下的熱力計算值進行對比，分析一次風機的流量裕度。從統計結果分析，一次風機選型的流量裕度范圍為41.9%～195.84%，平均值為103.24%（具體數據見表3）。所選設備中，一次風機流量裕度超過150%以上有4臺機組，占統計數量的13.33%；裕度在100%～150%的有11臺機組，占統計數量的36.67%；裕度在50%～100%的有7臺機組，占統計數量的23.33%；裕度在30%～50%的有8臺機組，占統計數量的26.67%，各機組的具體參數值，如表3、表4所示。依據規范，在所統計的32臺設備中，一次風機普遍存選型偏大的問題，其原因是在最初的設計選型階段，設備廠家和設計單位的修正系數相互疊加。

表2 規程對一次風機流量和壓頭裕量的要求

對于壓力裕度，根據統計的部分數據，其范圍在24%～54%，依據規范20%～30%的設計要求，依據相似原理［8］，從流量裕度的情況分析，這些設備的壓力裕度同樣偏大。

表4 一次風機流量裕度分布情況

在對風機裕度分析的基礎上，對一次風機在滿負荷或接近滿負荷工況下時的實際運行狀況進行了統計，并與設計值進行了對比。從統計數據分析，從一次風機實際運行電流的大小和動葉開度的情況分析，與設計流量裕度的統計數據存在偏差。

在所選機組中，以河南民權1號、2號機組的風機設備為例，其流量裕量為41.9%，當1號、2號機組分別接近其最大出力負荷時，共有6臺磨煤機投運，動葉開度分別為66.5%和62.0%，電機電流分別達到設計值的71.0%和66.8%，說明2臺機組的一次風機均具有一定裕度。對于600MW機組，在設計煤質條件下，滿負荷時磨煤機臺數為5用1備。在實際情況下，由于機組摻燒經濟煤質，經常投運6臺磨煤機，具體運行參數，如表5所示。現以6臺磨煤機滿出力運行進行考慮，則制粉系統實際通風量較設計狀況將增加約20%，依據規范中流量裕度推薦值為20%～30%，以及相關機組摻燒經濟煤種的實際運行狀況，一次風機流量裕度的上限可放至40%。如果機組的燃用煤質與設計燃煤的熱值較為接近，則可按照規范中推薦值，取30%左右的流量裕度［9］。

同比來看，安徽銅陵1號、2號機組的一次風機流量裕量最大，其流量裕量為195.84%。當2號機組接近最大出力時，在6臺磨煤機投運的情況下，一次風機的平均動葉開度為57.5%，風機平均運行電流為額定值的67.99%。對比分析后認為，雖然安徽銅陵機組中風機的流量裕度遠大于河南民權機組中的風機裕度，但在兩組設備滿負荷的情況下，實際運行電流與額定值電流的比值相差不大，只是河南民權機組的比值相對高一些，這與兩者的流量裕度相比較很不相符，其原因是由于風機與電機的功率匹配造成的，即安徽銅陵機組的一次風機所配備的電機與設備本體容量相比明顯偏小。就風機本身的運行特性而言，將影響一次風機的運行效率和出力。這種影響在設備裕量較大的情況下不明顯，但是這種配備造成了初期投資的增大。

表5 一次風機實際運行狀況與設計值對比

上述列舉的一次風機均具有較大的電流裕度，其實際運行電流與額定電流的比值在37.68%～75.00%。設備裕量較大影響了運行效率，增加輔機設備的電耗量。總體而言，當前對一次風機的選型存在兩個問題，一是與鍋爐的運行需求相比較，存在選型偏大的問題；二是風機電機與風機本身容量的匹配存在不相符的問題。依據《大中型火力發電廠設計規范》（2011版），一次風機的流量裕度應控制在20%～30%，但考慮到當前大部分機組均摻燒經濟煤種，如果煤質偏差較大，則應以6臺磨煤機滿出力運行考慮，一次風機流量裕度上限可設置為40%，如果實際燃用煤質與設計煤質的偏差較小，則一次風機流量裕度可選取在30%左右。實際選型時，應充分了解廠家設備的特性，再考慮一定的溫度裕量，就可滿足機組運行的需要，不能只追求較大的設備裕度，造成初期投資額的增大。

對于一次風機的電機選型，根據統計數據，當前一次風機電機的平均額定功率為2 104kW，而平均流量裕度已高達103.24%；依據上述流量裕度的選型范圍，對于動葉可調軸流式風機，在風機流量裕度合適的情況下，將電機功率控制在2 000kW左右。對于考慮進行經濟煤種摻燒的機組，應根據實際情況進行校核，以選取容量合適的電機。

表6 600MW機組各風機電耗情況對比

根據近年來的統計數據［10］，對部分機組的一次風機的電耗進行分析。從數據來看，一次風機的平均耗電率為0.49%，占全廠耗電率平均值為0.50%，其中河北龍山1號、2號機組的一次風機耗電率占全廠比例最低，其值為0.35%，河南民權6號、7號機組為最高，其值為0.95%，此數據明顯高于平均值。分析其原因主要是由于制粉系統在選型時，設計煤質可磨性系數選取偏大，導致實際煤質與設計煤質可磨性偏差很大，使磨煤機研磨能力明顯降低，為保證機組負荷，需提高制粉系統通風量，與設計值相比，通風量增大了約25%，導致一次風機耗電率明顯偏高，因此，應合理進行磨煤機的選型，這將影響一次風機裕度的選取。在不考慮河南民權電廠的運行情況下，將表5和表6結合起來分析，可以看出耗電率高的風機，其電機本身的額定功率相對也較高，所以在選型時應合理的選取電機，這既可以節省初期投資，又可以降低電耗率。

2.2 節能改造

對于選型偏大的一次風機，可考慮進行電機變頻改造。從掌握資料分析，當前部分600MW機組已進行或正在調研對一次風機的變頻改造，根據福建福州1號、2號機組對一次風機進行變頻改造的可行性報告，其投資回收時間約2年［11］，相應的計算過程為：

（1）當負荷為600MW時，根據實際運行情況估算，所需風量近似為風機額定轉速下風量的40.4%；當負荷400MW時，風量近似為35.7%。

則節約電功率：

節約電＝工頻運行時耗電－變頻時計算功率－變頻器自身耗電－空調

其中，房間空調按照15kW估算，變頻器自身耗電按功耗的3%計算。

（2）負荷為600MW

P1＝P1工－P1變，在工頻運行時，風機電流為134A，功率因素取0.88，電機功率為2 240kW，計算可得P1為995.52kW。

（3）負荷為400MW

P2＝P2工－P2變，在工頻運行時，風機電流為115A，功率因素取0.88，計算可得P2為867.6kW。

每天按照三個發電負荷平均8h計算，每年按照300天估算，則每年節約電能6 707 484kW·h，以電價按0.423元計算，對機組中的2臺一次風機計算，每年就可節約電費567.45萬元。以每臺機組總投資額為965萬計算，則2年內就能收回投資成本。同樣，湖北荊門的6號、7號機組也進行了一次風機的變頻改造，預計2年多就能收回成本［12］。

總體來看，對一次風機進行變頻改造的投資額度較高，成本回收時間在2～3年。對于風機選型大，電機容量相對較高，負荷率相對較低的機組，建議進行變頻改造。改造前，應進行調研和試驗，尤其要重視一次風機與風道系統的匹配問題。如果系統阻力與風機特性不匹配，變頻改造后的風機效率仍將不能提高，因為變頻調速并不能改變風機的性能，還將增加變頻器自身帶來的電量損失，如果系統阻力特性曲線不通過風機高效區，即使進行變頻改造，風機效率仍然不高，達不到理想的節能效果［13，14］。

3 結 語

（1）對于600MW機組一次風機的選型，普遍存在對流量裕度選擇偏大的問題，其平均流量裕度為103.24%。在摻燒經濟煤種的情況下，一次風機的流量裕度可控制在30%～40%，并考慮一定的溫度裕量，對于摻燒經濟煤種的機組，裕度可選較高值，同時，還應注意磨煤機出力變化對機組效率的影響。

（2）對于600MW機組一次風機的選型，還存在風機容量與電機容量不匹配的問題。建議將600 MW容量機組一次風機的電機容量控制在2 000 kW左右（針對動葉可調一次風機）。

（3）對于選型裕量較大、電機容量較高、負荷率較低的一次風機，依據一次風機與風道的匹配性，在保證系統阻力特性曲線通過風機高效區的情況下進行變頻改造，以提高風機運行的經濟性。